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《倒置结构钙钛矿太阳能电池研究取得重要进展》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2023-07-07

  • 钙钛矿以其长的载流子扩散长度、长的载流子复合寿命和宽的吸收范围，已经成为低成本和高性能太阳能电池的潜在材料。经过十多年的发展，单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已提高至25%以上，为太阳能电池产业的升级转型提供了新途径。因倒置平板结构器件具有可低温制备、可忽略的迟滞效应、高稳定性的特性，并可以制备成叠层电池，所以其备受重视。然而由于钙钛矿材料的多晶性和离子特性，钙钛矿中存在大量导致离子迁移和载流子非辐射复合的缺陷，且缺陷是水/氧渗透的主要通道，会显著降低钙钛矿薄膜甚至器件的稳定性。

    前期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所有机光电材料与器件团队在葛子义研究员的带领下通过薄膜形貌调控、载流子传输层修饰和新型二维钙钛矿材料设计（Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 62, e2022175; Adv. Funct. Mater. 2023, 2301956; Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416；Adv. Funct. Mater. 2022, 10, 2210600；Infomat 2022, e12379；Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630）等手段，大幅提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。然而，钙钛矿中的缺陷和光诱导引起的相分离将显著降低钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。为了解决这一问题，团队基于添加剂工程，利用可变形添加剂优化前驱体溶液胶体尺寸分布，增大钙钛矿薄膜晶粒尺寸，释放晶界残余应力，钝化铅、碘和有机阳离子缺陷，抑制光诱导引发的相分离。此外，添加剂还可优化钙钛矿能级，从而促进载流子提取/传输，减少陷阱辅助复合。通过该方法制备的钙钛矿太阳能电池的性能得到大幅度提升，基于富溴钙钛矿(FA0.88Cs0.12PbI2.64Br0.36) 和贫溴钙钛矿(FA0.96Cs0.04PbI2.8Br0.12)的器件分别获得了23.18%和24.14%的最佳效率，并且基于贫溴钙钛矿的柔性钙钛矿太阳能电池也获得了23.13%的出色效率，是迄今为止报道的柔性钙钛矿太阳能电池的最高值之一。这项工作为添加剂工程中钝化缺陷、应力消除和抑制相分离提供了新的见解，为开发最先进的太阳能电池提供了可靠方法。

    相关成果以“A Deformable Additive on Defects Passivation and Phase Segregation Inhibition Enables the Efficiency of Inverted Perovskite Solar Cells over 24%”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。宁波材料所博士后谢莉莎、硕士生刘健为共同第一作者，宁波材料所葛子义研究员和刘畅研究员为该论文的通讯作者。上述工作得到国家相关人才计划（21925506）、国家自然科学基金（U21A20331、81903743、22279151、22209192、62275251）和博士后面上项目（2022M713242）等项目的支持。（来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所）

    相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202302752

  • 原文来源：https://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/2023/7/202375928273983199.shtm
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  • 《Nature子刊：钙钛矿太阳能电池研究获重要进展！》
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    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-03-11
    • 3月7日，北京大学工学院周欢萍团队与合作者在碱性调控钙钛矿太阳能电池缺陷性质和结晶动力学的研究中取得重要进展，相关工作发表在著名期刊《自然·通讯》。 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09093-1 有机-无机杂化钙钛矿作为一种新兴的光电半导体材料，因其诸多优异的光电特性和低廉的制造成本，而受到了世界范围内的研究人员的广泛关注。从2009年至今，通过对钙钛矿材料性质、太阳能电池器件结构以及相关界面的不断深入研究，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从3.8%提升到了23.7%。不同于传统的硅材料，有机-无机杂化钙钛矿通常被认为是一种较软的离子晶体，在其多晶薄膜中容易形成各种各样的点缺陷（如空位、间隙离子、反位取代等），它们往往作为非辐射复合中心，影响薄膜的光致发光的量子效率，降低太阳能器件的光伏性能。 近年来，人们一直在努力探索这些缺陷，以揭示其形成和消除的机理。研究发现，缺陷的形成与溶液状态和加工条件息息相关，同时，通过添加合适的添加剂，改变溶液状态，控制薄膜加工条件，可以降低钙钛矿多晶薄膜中缺陷密度，从而提高相应的器件的光电转化效率。然而，目前对于如何大幅度消除各类碘基有机-无机杂化钙钛矿中的深能级缺陷，如间隙碘，还缺少普适可靠的手段。 (a) 弱碱性消除钙钛矿薄膜深能级缺陷示意图。(b) 碱性影响钙钛矿薄膜结晶动力学示意图 针对这一问题，周欢萍课题组及合作者，通过在前驱液中引入碱性物种，促使单质碘杂质在不同的碱性环境下发生歧化反应，有效的抑制和消除了前驱液中的单质碘杂质。同时，碱性的引入进一步地影响了钙钛矿薄膜的结晶动力学和缺陷性质，大幅度提升了相应的钙钛矿光伏器件的开路电压和光电转化效率。该工作深入系统地研究了不同碱性强弱对前驱液中碘单质的歧化反应（碱性介质可使大部分零价碘缺陷还原成碘离子）、成膜过程中黄相黑相的结晶动力学（弱碱性介质有利于光活性相黑相的形成，而强碱性介质则抑制光活性相黑相形成）、钙钛矿薄膜中缺陷态密度的影响。 同时，以乙酸甲脒作为一种“无残留”的弱碱性物质为例，可以有效地调控混卤钙钛矿(FA,MA,Cs)Pb(I,Br)3前驱体中阳离子的化学计量比，同时通过消除前驱液中的碘单质，大幅降低其薄膜中深层缺陷的密度。据此，该课题组成功制备了经美国Newport认证的20.87%效率的混卤钙钛矿太阳能电池，同时，开路电压损失也降低至413 mV，为平面钙钛矿太阳能电池中认证值电压损失最小的器件之一。 太阳能电池光伏性能。(a) PVSK和PVSK-FA器件的电流-电压曲线。(b) 左图：PVSK和PVSK-FA薄膜的吸收和PL光谱；右图：PVSK和PVSK-FA器件开路电压统计直方图。(c) PVSK-FA器件的正反扫。(d) PVSK-FA器件的稳态电流密度和效率。PVSK和PVSK-FA器件的 (e) 瞬态光电压衰减曲线和 (f) 变光强开路电压曲线 该论文的第一作者是周欢萍课题组2016级博士生陈怡华。周欢萍特聘研究员为通讯作者。合作者还包括北京理工大学陈棋课题组、香港科技大学黄勃龙课题组、南京工业大学王建浦课题组、国家纳米中心刘新风课题组、澳门大学邢贵川教授、中国科学院上海高等研究院李东栋研究员等。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、先进电池材料理论与技术北京市重点实验室等的联合资助。
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  • 《我国学者在高效稳定钙钛矿太阳能电池方面取得进展》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2025-02-06
    • 图 （A）器件结构示意图；（B、C）不同构型的电池老化后的ToF-SIMS深度剖面图。（D）无MoS2钝化和有MoS2钝化的钙钛矿的相变能量曲线。（E）钙钛矿、MoS2/钙钛矿、MoS2/钙钛矿/MoS2薄膜的TRPL衰减曲线。（F）在中国计量科学研究院认证的最优钙钛矿太阳能电池性能；（G）最优钙钛矿微型组件性能；（H）钙钛矿太阳能电池的高温运行稳定性。   在国家自然科学基金项目（批准号：52125206、52302320）等资助下，北京大学周欢萍教授与合作者在高效稳定钙钛矿太阳能电池方面取得进展。相关研究成果以“晶圆级单层硫化钼集成实现高效稳定钙钛矿太阳能电池（Wafer-scale monolayer MoS2 film integration for stable, efficient perovskite solar cells）”为题，于2025年1月10日在线发表于《科学》（Science），论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2351。   金属卤化物钙钛矿以其优越的光电性能和低廉的成本成为最有前景的新一代光伏材料。尽管钙钛矿太阳能电池发展迅速，但同时实现高效和稳定仍是巨大挑战。卤化物钙钛矿由于其软晶格和相对较弱的键，在太阳能电池运行过程中容易降解。即使通过封装来隔离水分和氧气，钙钛矿在热、光照和电场下的不稳定性仍是其商业化应用亟需解决的关键问题。   周欢萍教授团队提出将晶圆级连续单层MoS2集成到钙钛矿层的上、下界面以形成稳定器件构型，从而显著增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究表明，晶圆级MoS2插层由于连续二维形态，从物理上最大程度地阻挡了钙钛矿离子向载流子传输层的迁移。而且，MoS2通过与钙钛矿强配位相互作用在化学上稳定了α相FAPbI3。MoS2插层还通过与钙钛矿形成Pb-S键化学钝化钙钛矿表面缺陷，并通过与钙钛矿I型能带排列阻挡少子复合，从而显著减少了载流子非辐射复合。此外，单层MoS2的原子级厚度克服了钝化质量和载流子传输之间难以协同的挑战，最大限度地提高了钙钛矿太阳能电池的开路电压（认证VOC=1.20 V）和填充因子（认证FF=84.3%）。包含MoS2/钙钛矿/MoS2结构的钙钛矿太阳能电池和组件分别实现了高达26.2%（认证稳态效率为25.9%）和22.8%的光电转换效率。此外，电池表现出卓越的湿热稳定性（在85℃和85%相对湿度下老化1200小时后保留初始效率的95%）、光照稳定性（在连续一个太阳照射下在开路状态下老化2000小时后保留初始效率的96.6%）和运行稳定性（在室温下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪2000小时后效率基本没有衰减，在85℃下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪1200小时后保留初始效率的96%）。   本研究通过界面工程将二维材料与软晶格光电材料结合起来，为提高钙钛矿基光电器件的性能提供了有效策略，并可以扩展到传感器、探测器等其他相关领域支撑高效稳定器件的构建。
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